Jak dobrze znasz układ okresowy? Nasza seria „Pierwiastki” odkrywa fundamentalne elementy składowe obserwowalnego wszechświata – i ich znaczenie dla Twojego życia – jeden po drugim.
Może być błyszczący i twardy. Może być miękki i płatkowaty. Może wyglądać jak piłka do piłki nożnej. Węgiel jest szkieletem każdej żywej istoty – a jednak może spowodować koniec życia na Ziemi, jakie znamy. Jak to możliwe, że bryła węgla i lśniący diament składają się z tego samego materiału? Oto osiem rzeczy, których prawdopodobnie nie wiedziałeś o węglu.
1. JEST TO „TAŚMA ŻYCIA.”
Jest w każdej żywej istocie, a także w kilku martwych. „Woda może być rozpuszczalnikiem wszechświata,” pisze Natalie Angier w swoim klasycznym wprowadzeniu do nauki, Kanon, „ale węgiel jest taśmą klejącą życia.” Węgiel jest nie tylko taśmą klejącą, ale jest to cholernie dobra taśma. Wiąże atomy ze sobą, tworząc ludzi, zwierzęta, rośliny i skały. Jeśli się z nim pobawimy, możemy go wykorzystać do produkcji tworzyw sztucznych, farb i wszelkiego rodzaju chemikaliów.
2. JEST JEDNYM Z NAJWIĘKSZYCH ELEMENTÓW WE WSZECHŚWIECIE.
Siedzi na samym szczycie układu okresowego, wciśnięty między bor i azot. Liczba atomowa 6, znak chemiczny C. Sześć protonów, sześć neutronów, sześć elektronów. Jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie po wodorze, helu i tlenie, a piętnastym w skorupie ziemskiej. Uważa się, że węgiel powstał w wyniku nagromadzenia cząstek alfa w eksplozjach supernowych, w procesie zwanym nukleosyntezą supernowych, podczas gdy jego starsi kuzyni, wodór i hel, zostali uformowani podczas Wielkiego Wybuchu.
3. NAZWA WĘGLA.
Choć ludzie znają węgiel jako węgiel i – po spaleniu – sadzę od tysięcy lat, to Antoine Lavoisier w 1772 roku wykazał, że jest on w rzeczywistości unikalną jednostką chemiczną. Lavoisier użył przyrządu, który skupiał promienie słoneczne za pomocą soczewek o średnicy około czterech stóp. Użył tego przyrządu, zwanego piecem słonecznym, do spalenia diamentu w szklanym słoju. Analizując pozostałości znalezione w słoiku, był w stanie wykazać, że diament składa się wyłącznie z węgla. Lavoisier po raz pierwszy wymienił go jako pierwiastek w swoim podręczniku Traité Élémentaire de Chimie, opublikowanym w 1789 roku. Nazwa węgiel wywodzi się od francuskiego charbon, czyli węgiel.
4. uwielbia się wiązać.
Może tworzyć cztery wiązania, co czyni z wieloma innymi pierwiastkami, tworząc setki tysięcy związków, z których część używamy codziennie. (Plastik! Narkotyki! Benzyna!) Co ważniejsze, wiązania te są zarówno silne, jak i elastyczne.
5. NEALLY 20 PERCENT OF YOUR BODY IS CARBON.
May Nyman, profesor chemii nieorganicznej na Oregon State University w Corvallis, Oregon mówi Mental Floss, że węgiel ma niemal niewiarygodny zakres. „Tworzy wszystkie formy życia, a w liczbie substancji, które tworzy, tłuszcze, cukry, jest ogromna różnorodność” – mówi. Tworzy łańcuchy i pierścienie w procesie, który chemicy nazywają katenacją. Każda żywa istota zbudowana jest na szkielecie z węgla (z azotem, wodorem, tlenem i innymi pierwiastkami). Tak więc zwierzęta, rośliny, każda żywa komórka i oczywiście ludzie są produktem katenacji. Nasze ciała składają się w 18,5 procentach z węgla, wagowo.
Ale może on być również nieorganiczny, jak mówi Nyman. W połączeniu z tlenem i innymi substancjami tworzy duże części świata nieożywionego, takie jak skały i minerały.
6. dopiero niedawno odkryliśmy dwie jego nowe formy.
Węgiel występuje w czterech głównych formach: grafitu, diamentu, fulerenów i grafenu. „Struktura kontroluje właściwości węgla,” mówi Nyman. Grafit („kamień do pisania”) składa się z luźno połączonych arkuszy węgla uformowanych jak drut kurczaka. Napisanie czegoś ołówkiem to po prostu wydrapanie warstw grafitu na papierze. Diamenty natomiast są połączone trójwymiarowo. Te wyjątkowo silne wiązania mogą być przerwane jedynie przez ogromną ilość energii. Ponieważ diamenty mają wiele takich wiązań, czyni je to najtwardszą substancją na Ziemi.
Fullereny zostały odkryte w 1985 roku, kiedy grupa naukowców wysadziła grafit laserem, a powstały gaz węglowy skondensował się do nieznanych wcześniej kulistych cząsteczek o 60 i 70 atomach. Zostały one nazwane na cześć Buckminstera Fullera, ekscentrycznego wynalazcy, który stworzył kopuły geodezyjne z tej przypominającej piłkę nożną kompozycji. Robert Curl, Harold Kroto i Richard Smalley otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1996 r. za odkrycie tej nowej formy węgla.
Najmłodszym członkiem rodziny węglowej jest grafen, znaleziony przypadkowo w 2004 r. przez Andre Geima i Kostię Novoselova w improwizowanym zacięciu badawczym. Naukowcy użyli taśmy klejącej – tak, naprawdę – do wyciągnięcia z kawałka grafitu arkuszy węgla o grubości jednego atomu. Nowy materiał jest niezwykle cienki i wytrzymały. Rezultat: Nagroda Nobla z fizyki w 2010 r.
7. DIAMENTY NIE SĄ NAZYWANE „LODEM” Z POWODU ICH WYGLĄDU.
Diamenty są nazywane „lodem”, ponieważ ich zdolność do transportowania ciepła sprawia, że są chłodne w dotyku – nie z powodu ich wyglądu. To czyni je idealnymi do wykorzystania jako radiatory w mikroprocesorach. (Najczęściej stosowane są diamenty syntetyczne.) Ponownie, trójwymiarowa struktura sieciowa diamentów wchodzi w grę. Ciepło jest przekształcane w drgania siatki, które są odpowiedzialne za diamenty bardzo high thermal conductivity.
8. IT HELPS US DETERMINE THE AGE OF ARTIFACTS-AND PROVE SOME OF THEM FAKE.
American naukowiec Willard F. Libby zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1960 roku za opracowanie metody datowania reliktów poprzez analizę ilości radioaktywnego podgatunku węgla zawartego w nich. Datowanie radiowęglowe lub datowanie C14 mierzy rozpad radioaktywnej formy węgla, C14, która gromadzi się w żywych organizmach. Może być stosowane do obiektów, które mają nawet 50.000 lat. Datowanie radiowęglowe pomogło określić wiek Ötzi Iceman, 5300-letniego ciała znalezionego zamrożonego w Alpach. Ustalono również, że Okrągły Stół Lancelota w katedrze w Winchesterze został wykonany setki lat po rzekomej erze arturiańskiej.
9. Zbyt duża jego ilość zmienia nasz świat.
Dwutlenek węgla (CO2) jest ważną częścią gazowego koca, który otacza naszą planetę, sprawiając, że jest ona wystarczająco ciepła, by podtrzymywać życie. Ale spalanie paliw kopalnych – które są zbudowane na węglowym szkielecie – uwalnia więcej dwutlenku węgla, co jest bezpośrednio związane z globalnym ociepleniem. Zaproponowano wiele sposobów usuwania i składowania dwutlenku węgla, w tym bioenergię z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla, która obejmuje sadzenie dużych drzew, zbieranie i spalanie ich w celu wytworzenia energii elektrycznej oraz wychwytywanie CO2 powstałego w tym procesie i składowanie go pod ziemią. Jeszcze inne omawiane podejście polega na sztucznym uczynieniu oceanów bardziej alkalicznymi, aby umożliwić im wiązanie większej ilości CO2. Lasy są naturalnymi pochłaniaczami dwutlenku węgla, ponieważ drzewa wychwytują CO2 podczas fotosyntezy, ale działalność człowieka w tych lasach przeciwdziała i przewyższa wszelkie zyski w zakresie wychwytywania CO2 , jakie moglibyśmy uzyskać. Krótko mówiąc, nie mamy jeszcze rozwiązania problemu nadmiaru C02, który wytworzyliśmy w atmosferze.